1、(Cell Membrane and Transmembrane Transport)细胞生物学系：郑贤红,第四章 细胞膜与物质穿膜运输,概述 第一节 细胞膜的化学组成与生物学特性 第二节 小分子物质和离子的穿膜运输 第三节 大分子和颗粒物质的穿膜运输 第四节 细胞表面特化结构 第五节 细胞膜异常与疾病,内容,概 述,一、基本概念细胞膜 (cell membrane) :包围在细胞质表面的一层薄膜，又称质膜（plasma membrane）。 二、细胞膜的最基本功能 1.为细胞的生命活动提供了稳定的内环境 2.物质转运 3.信号传递、细胞识别等,第一节 细胞膜的化学组成与生物学特性,一、细胞膜
2、构成（一）膜脂:细胞膜的结构骨架-每个动物细胞质膜上约有109个脂分子 （二）膜蛋白:决定细胞膜的功能 （三）糖类,（一）膜脂构成细胞膜的结构骨架,膜脂（membrane lipid） 主要有三种类型：磷脂（phospholipid）胆固醇（cholesterol）糖脂(glycolipid),磷脂,甘油磷脂,鞘磷脂,磷脂酰胆碱（PC),磷脂酰乙醇胺（PE）,磷脂酰丝氨酸 (PS),磷脂酰肌醇（PI）,1.磷脂膜脂分子中都含有磷酸基团，被称为磷脂，约 占膜脂的50%以上。,甘油磷脂的化学结构,甘油磷脂以甘油为骨架，甘油分子的1、2位羟基分别与脂肪酸形成酯键，3位羟基与磷酸形成酯键。,两亲性分子
3、或兼性分子头部基团（head group）或亲水头:甘油磷脂的磷酸基团可分别与亲水的小基团胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇结合。与带负电的磷酸基团一起形成高度水溶性的结构域，极性很强。 疏水尾脂肪酸链是疏水的，无极性。含14-24个碳原子。,脂肪酸链是疏水的，含14-24个碳原子,鞘磷脂（SM),极性头部基团（亲水）,非极性尾部基团（疏水）,鞘磷脂以鞘氨醇代替甘油，长链的不饱和脂肪酸结合在鞘氨醇的氨基上；分子末端的一个羟基与胆碱磷酸结合，另一个游离羟基可与相邻脂分子的极性头部、水分子或膜蛋白形成氢键。,质膜中的主要磷脂分子,2. 胆固醇,分布：胆固醇散布在磷脂分子之间动物细胞含量高：胆固醇/磷脂=1
4、/1植物细胞含量少：2%,结构： 极性头为羟基团，紧靠磷脂的极性头部；非极性疏水结构为固醇环和烃链，固醇环固定在磷脂分子邻近头部的烃链上，疏水的烃链尾部埋在脂双层的中央。,胆固醇调节膜流动性、加强膜稳定性,例：中国仓鼠卵巢细胞突变株（M19）：不能合成胆固醇，体外培养需加入胆固醇，否则会解体。,Table 10-1 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),3. 糖脂糖脂由脂类和寡糖构成 动物细胞膜的糖脂几乎都是鞘氨醇的衍生物，结构似鞘磷脂，称为鞘糖脂 。,最简单糖脂：脑苷脂，头部仅一个半乳糖或葡萄糖残基，髓鞘中的主要糖脂。复杂
5、糖脂：神经节甘脂，头部含有半乳糖 和葡萄糖外，还有数目不等的唾液酸，神经元质膜中最为丰富，占5-10%。,Figure 10-18 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),膜脂可能的存在形式：形成球状分子团（micelle）形成双分子层（bilayer）,人工合成膜结构： 脂质体 25nm-1um用途： 运载体,（二）膜蛋白,决定细胞膜的不同特性和功能在不同细胞中膜蛋白的含量及类型有很大差异，膜的功能越复杂, 其中的蛋白质含量越多。线粒体内膜：75%髓鞘：25%,根据膜蛋白与脂双层结合的方式不同，膜蛋白可分为三种基本类型：内在
6、蛋白（intrinsic protein）或整合蛋白 外在蛋白（extrinsic protein）脂锚定蛋白（lipid anchored protein）,1.膜内在蛋白 又称穿膜蛋白（transmembrane protein）占膜蛋白总量的7080，是两亲性分子大多数穿膜蛋白穿膜域都是-螺旋构象，也有的 穿膜蛋白以-折叠片层（-pleated sheet）构象穿膜分单次穿膜、多次穿膜和多亚基穿膜蛋白三种类型,-螺旋构象穿膜蛋白,-折叠构象穿膜蛋白,2.膜外在蛋白 又称周边蛋白（peripheral protein） 占膜蛋白总量的20%30% 非共价键 动态关系：根据功能的需要募集到膜
7、上或者从膜上释放出去。,膜外在蛋白,3.脂锚定蛋白 又称脂连接蛋白（lipid-linked protein） 脂锚定蛋白以共价键与脂双层内的脂分子结合 脂锚定蛋白以两种方式与脂类分子共价结合,胞质侧的蛋白,糖基磷脂酰肌醇锚定蛋白（GPI ）,与磷脂酰肌醇相连的寡糖链结合,共价键,质膜外表面的蛋白,与脂双层中的碳氢链结合,共价键,胞质侧的蛋白,膜蛋白在膜中的几种结合方式,分离蛋白-去垢剂,离子型去垢剂-十二烷基磺酸钠（SDS）可使蛋白变性 非离子型去垢剂-TritonX-100较温和,Figure 10-30 Molecular Biology of the Cell ( Garland Sc
8、ience 2008),Figure 10-31 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),Figure 10-40 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),Figure 10-41a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),Figure 10-41b Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),Figure 10-42 Molec
9、ular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),Figure 10-42a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),（三）膜糖,约占质膜重量的210。 红细胞膜：8%,糖蛋白:93%,糖脂:7%,共价键,共价键,糖类+膜蛋白,膜糖类,糖类+膜脂,形式：糖蛋白、糖脂 动物细胞种类：(七种)半乳糖、甘露糖、岩藻糖、半乳糖氨、葡萄糖、葡萄糖氨和唾液酸 唾液酸常见于糖链的末端，形成真核细胞表面净负电荷，捕集纳、钙离子吸引大量水分子 位置：生物膜的非胞质面，即在质膜上位于细胞外侧，各种细
10、胞器的细胞内膜上，位于腔面 细胞表面富糖区称细胞外衣或称糖萼：保护和细胞间识别和粘附,Figure 10-28a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),糖基化部位：N-连接/O-连接,二、细胞膜的生物学特性： 不对称性和流动性,（一）膜的不对称性决定膜功能的方向性各种成分的分布是不均匀包括种类和数量上都有很大差异与细胞膜的功能有密切关系。,样品经冰冻断裂处理后，细胞膜可从脂双层中央断开，各断面命名为：ES：细胞外表面 EF：细胞质膜外叶层的内面PS：细胞内表面(胞质面) PF：细胞质膜内叶层的外面,生物膜内外两层的组分和功能
11、有很大差异,人红细胞膜中几种膜脂的不对称分布,1. 膜脂的相对不对称性,Figure 10-16 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),2. 膜蛋白的绝对不对称性 各种膜蛋白在质膜 中都有一定的位置。 穿膜蛋白穿越脂双层都有一定的方向性。,膜蛋白的绝对不对称性,3. 膜糖的显著不对称性 质膜外表面 内膜系统膜腔,（二）膜的流动性是膜功能活动的保证,脂双层为液晶态二维流体 由于温度的变化导致膜状态的改变称为“相变”（phase transition）。在相变温度以上，膜处于流动的液晶态。 膜的流动性是膜功能活动的保证。,2.
12、膜脂分子的运动方式 （1）侧向扩散（lateral diffusion）（2）翻转运动（flip-flop）（3）旋转运动（rotation） （4）弯曲运动（flexion）,4. 膜蛋白的运动性 分布在膜脂二维流体中的膜蛋白也有发生分子运动的特性主要运动方式:侧向扩散旋转运动,小鼠人细胞融合过程中膜蛋白的侧向扩散示意图,影响脂双层流动性的因素,Figure 10-12 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),不饱和脂肪酸链对膜流动性的影响,胆固醇对膜流动性的影响,温度对膜流动性的影响,三、细胞膜存在多种分子结构模型,（一）
13、片层结构模型具有三层夹板式结构特点-1935年，球形蛋白,（二）单位膜模型体现膜形态结构的共 同特点-蛋白质以单条肽链片层形式,单位膜模型-蛋白质以单条肽链片层形式，通过静电作用与磷脂极性头部结合,（三）流动镶嵌模型,“流动镶嵌模型”（fluid mosaic model）认为膜中脂双层构成膜的连贯主体，它具有晶体分子排列的有序性，又具有液体的流动性。膜中蛋白质分子以不同形式与脂双分子层结合，有的嵌在脂双层分子中，有的则附着在脂双层的表面。,流动镶嵌模型 膜蛋白主要以螺旋的球形结构,液态镶嵌模型,（四）脂筏模型,微区（microdomain）： 微区中富含胆固醇和鞘脂，其中聚集一些特定种类的膜
14、蛋白。 脂筏 （lipid rafts）： 由于鞘脂的脂肪酸尾比较长，因此这一区域比膜的其他部分厚，更有秩序且较少流动。,脂筏结构模式图,Figure 10-14a Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008),第三节 大分子和颗粒物质的穿膜运输,大分子和颗粒物质被运输时并不直接穿过细胞膜，都是由膜包围形成囊泡，通过一系列膜囊泡的形成和融合来完成转运过程，故称为小泡运输（vesicular transport）。,一、胞吞,胞吞作用又称内吞作用，它是质膜内陷，包围细胞外物质形成胞吞泡，脱离质膜进入细胞内的转运过程。胞吞作用分为三种类
15、型：吞噬作用胞饮作用 受体介导的胞吞,（一）吞噬作用：吞噬细胞摄入颗粒物 质,（二）胞饮作用：细胞吞入液体和可溶性物质,吞噬作用,胞饮作用,（三）受体介导的胞吞：提高效率,LDL受体介导的LDL胞吞过程,有被小窝与有被小泡,有被小窝：受体集中的质膜区域，10-20倍，占质膜2% 有被小泡1.网格蛋白二聚体：1条重链和1条轻链3个二聚体：三腿蛋白复合物（网格蛋白）36个三腿蛋白复合物：六角形或五角形 ，篮网状结构2.衔接蛋白：多种3.发动蛋白：GTP结合蛋白,有被小窝与有被小泡的形成,笼形蛋白的结构，A电镜照片，B分子模型，C衣被模型 引自Molecular Biology of the Cel
16、l. 4th ed. 2002,笼形蛋白衣被小泡的形态,家族性高胆固醇血症,常染色体显性遗传病 LDL受体基因突变 LDL受体异常：受体缺乏和受体结构异常 重型纯合子：20岁前后出现动脉硬化 轻型杂合子：40岁前后发生动脉硬化，冠心病 LDL：肝脏合成。直径22nm,LDL的结构-1500个酯化胆固醇、800个磷脂分子、500个游离胆固醇分子 Apo-B100-细胞膜上LDL配体 LDL受体-839个氨基酸组成的单次穿膜糖蛋白,受体介导的胞吞,有50种以上不同蛋白质 生长因子 淋巴因子 铁 维生素B12病原性微生物：流感病毒，艾滋病毒,二、胞吐,胞吐作用又称外排作用或出胞作用，指细胞内合成的物
17、质通过膜泡转运至细胞膜，与质膜融合后将物质排出细胞外的过程，与胞吞作用过程相反。,胞吐作用连续性分泌受调分泌,连续性分泌和受调分泌,第四节 细胞表面特化结构,细胞外被和胞质溶胶,一、微绒毛（microvillus) 直径：0.1um 长：0.2-1.0um 小肠上皮吸收细胞：1000-3000根,微绒毛,二、纤毛（cilia)和鞭毛(flagella),呼吸道上皮细胞的纤毛电镜照片,纤毛： 长：5-10um，数目很多 呼吸道和雌性生殖管道上皮细胞游离面、脑室室管膜细胞鞭毛： 长：150um，1至数根 原生生物或精子,三、褶皱,厚度：0.1um 高：几微米,第五节 细胞膜异常与疾病,一、胱氨酸尿症是载体蛋白异常性疾病二、肾性糖尿是葡萄糖载体蛋白异常性疾病三、囊性纤维化是通道蛋白异常性疾病四、家族性高胆固醇血症是受体异常性疾病,细胞膜上LDL受体缺陷示意图,思考题1.真核细胞质膜有哪些磷脂分子。 2.细胞膜的化学组成与膜功能的关系。 3.膜内在蛋白、膜外在蛋白、脂锚定蛋白概念。 4.常用的去垢剂有哪些？ 5.膜生物学特性有哪些？膜的不对称性特点。 6.影响膜流动性的因素。 7.细胞膜结构模型有哪些？简述各自的特点。 8.脂伐概念。,9.受体介导的胞吞过程。 10.受体介导的LDL胞吞作用。 11.细胞膜表面特化结构有哪些？结构特点。,
